1. Метод кс. Физические основы метода.

В скважине производят измерения с четырех электродной установкой AMNB, один из электродов которой (В или N) заземляют на поверхности у устья скважины и его действием пренебрегают. Оставшиеся 3 электрода перемещают по скважине с сохранением неизменного расстояния между ними и называют зондовой установкой или просто зондом КС. Электрод, заземленный на поверхности, на профессиональном жаргоне каротажников называется "рыбой".

Допустим, что у нас на поверхности заземлен электрод В. Токовый электрод А в первом приближении можно принять за точечный источник, расположенный в однородной среде. Токовые линии расходятся от него радиально, а эквипотенциальные поверхности имеют сферическую форму. Как известно из курса физики, потенциал поля точечного источника тока / на расстоянии г от него в однородной и изотропной среде с сопротивлением р равен:

(5.2)

сопротивление среды:

(5.4)

коэффициентом зонда КС:

(5.5)

Для случая, когда на поверхности заземлен электрод N, а не электрод В, можно получить значение

(5.6)

Принцип взаимности (принцип суперпозиции), который гласит, что результат измерения сопротивления среды не изменяется при смене назначения приемных и питающих электродов зонда.

Кажущееся сопротивление КС измеряется в Ом-м. По физическому смыслу Ом-м представляет собой сопротивление 1 м³ горной породы, измеренное в направлении, параллельном граням.

При интерпретации данных электрического каротажа следует учитывать, что УЭС пород разреза не остается постоянным - и в вертикальном направлении, как это показано на рис. 5.2, и в общем случае измеренное сопротивление будет зависеть от целого ряда электрических и геометрических параметров:

(5.1)

По этой причине измеренное в скважине сопротивление пласта будет не его истинным сопротивлением, а кажущимся КС или ρ_к. Из этой же формулы видно, что для того, чтобы по ρ_к определить ρ_пл, нужно исключить или учесть влияние всех остальных параметров.

2. Обычные зонды кс.

Несмотря на то, что зонды КС состоят всего из 3-х электродов, различные комбинации этих электродов образуют зонды разного типа.

Те из электродов, которые имеют одно и то же назначение, мы будем называть парными. Так, парными являются питающие или токовые электроды А и В и измерительные, они же приемные, М и N.

Зонды КС принято обозначать сверху вниз, указывая между буквенными обозначениями электродов расстояние между ними в метрах. Такое обозначение называют символом зонда. Например, N 0,10 M, 0,95A.

Зонды, у которых сближены парные электроды, называются градиент-зондами (lateral device); а зонды, у которых сближены непарные электроды - потенциал-зондами (normal device).

Точка записи О, т.е. та точка зонда, к которой относятся результаты измерения, всегда располагается посредине между сближенными электродами, т.е. у градиент-зонда - между парными, а у потенциал-зонда - между непарными электродами.

Внутри каждой группы существует еще подразделение по месту расположения парных электродов и по количеству питающих электродов, как показано на рис. 5.3.

Так, зонды, у которых парные электроды располагаются выше непарного, называются обращенными, а те, у которых парные ниже непарного - последовательными зондами.

Зонды с одним питающим электродом называются однополюсными или зондами прямого питания, а зонды с двумя питающими электродами -двуполюсными или зондами взаимного питания.

Кроме градиент- и потенциал-зондов существуют еще так называемые "специальные зонды", которые приведены на рис. 5.4, а. Так, зонд AMN, у которого AM=MN, с равным основанием может быть отнесен и к потенциал-, и к градиент-зондам. Такой зонд называется симметричным, за точку записи принимают точку М. Зонд MAN называется дифференциальным зондом Альпина. Зонд N1M1AM2N2 представляет собой комбинацию обращенного и последовательного градиент-зондов и называется двойным градиент-зондом. Он хорошо дифференцирует высокоомный разрез, поэтому американские геофизики называют его hard-rock device, т.е. зонд для твердых пород. Существуют также одноэлектродные зонды, в которых один и тот же электрод играет роль и питающего и приемного. Такие зонды удобны для одножильного каротажного кабеля.

Общий вид буферного зонда представлен на рис. 5.5.

3. Правила определения границ и мощностей пластов по диаграммам метода КС. Интерпретация диаграмм КС заключается в определении положения контактов пластов различного электрического сопротивления и в определении их истинного сопротивления.

Правила интерпретации зависят от типа зонда КС и соотношения между мощностью пласта и длиной зонда.

Мощные пласты высокого сопротивления. В методе КС пласт считается мощным, если при формировании кривой КС на одной его границе можно пренебречь влиянием другой границы. На практике пласт считается мощным, если h>5L.

Рассмотрим теоретическую форму кривой КС для обращенного градиент-зонда

При дальнейшем подъеме зонда и приближении точки О к верхнему контакту (позиция 1) плотность тока в области приемных электродов начинает расти из-за втягивающего действия низкоомной перекрывающей среды, j > j₀ и р_к → р^max_k > р₂. После перехода точки О в перекрывающую среду (позиция 2) р_ш скачком падает до уровня р_х и, поскольку приемные и питающие электроды разделены контактом, КС остается постоянным р_к = р*_к до тех пор, пока точка А также не пересечет контакт. В позиции 3 (электрод А над контактом) плотность тока остается j > j₀, а р_к > p₁, но по мере удаления от контакта j → j₀, a р_к → p₁

Таким образом, на диаграммах обращенного градиент-зонда кровля мощного пласта ВС "отбивается" точкой максимума КС, а подошва -точкой минимума.

На основании аналогичных рассуждений на рис. 6.2 построены диаграммы КС над мощным пластом высокого сопротивления для последовательного градиент-зонда. Этот зонд отчетливее всего по точке экранного максимума "отбивает" подошву пласта, благодаря чему он и получил название "подошвенного" зонда.

Рассмотрим кривую КС над мощным пластом ВС для потенциал-зонда AM (рис. 6.3 а, б). Так же, как и в предыдущем случае, нарисуем нижнюю часть кривой, перенеся ее с рис. 5.7. При дальнейшем подъеме зонда и приближении электрода А к верхнему контакту (позиция 1) плотность тока начинает падать j < j ₀ из-за втягивания тока перекрывающей низкоомной средой, и р_к уменьшается (р_к < р₂ ) до тех пор, пока электрод А не встанет на верхний контакт (точка записи при этом на L/2 ниже верхнего контакта). В позиции 2 (между точками А и М находится контакт) выполняется условие р_к = р*_к до тех пор, пока электрод М не пересечет верхний контакт.

В позиции 3 в интервал между электродами М и N начинает включаться все больший участок перекрывающей среды с низким сопротивлением р₁ и р_к —> р₁.

Можно воспользоваться также правилом "удвоенного сопротивления вмещающих пород".

Величину истинного сопротивления пласта ВС большой мощности на диаграмме потенциал-зонда можно считать приблизительно равной р^max_k.

Поскольку КС на площадках мало (не более чем вдвое превышает сопротивление вмещающих пород), то при сравнении ширины отчетливой части аномалий и мощности пласта можно заметить, что для пластов ВС большой мощности ширина аномалии меньше мощности пласта на размер зонда.

Тонкие пласты высокого сопротивления. В методе КС пласты считаются тонкими, если их мощность меньше длины зонда (h<l) . Обращенного градиент-зонд. Когда зонд располагается ниже пласта (позиции 1 и 2), формирование кривой КС происходит так же, как и для мощного пласта. Когда точка записи входит в пласт (позиция 3), вместо площадки равных сопротивлений получается наклонная площадка с возрастанием к кровле пласта из-за того, что перекрывающая пласт низкоомная среда втягивает в себя ток и, тем самым, увеличивает плотность тока в области приемных электродов. Когда точка записи выходит из пласта в перекрывающую среду (позиция 4), между питающим и приемными электродами оказывается высокоомный пласт, который экранирует приемные электроды от источника тока, плотность тока падает, и на кривой КС формируется зона экранного минимума, которая будет продолжаться до тех пор, пока электрод А не пересечет нижний контакт пласта (позиция 5). После этого, по мере удаления электрода А от подошвы пласта, все большая часть тока будет втягиваться верхней средой и, когда электрод А пересекает кровлю пласта, на кривой КС формируется экранный максимум, расстояние которого от кровли пласта равно длине зонда.

Положение контактов пласта находят, откладывая от точек а и в размер зонда в сторону основного максимума, как это показано на рис. 6.4, б.

На рис. 6.5 представлена кривая КС, записанная над тонким пластом с помощью потенциал-зонда. При приближении зонда к подошве пласта (позиция 2) плотность тока над электродом А уменьшается и увеличивается под ним, в области приемного электрода М. Соответственно увеличивается КС и достигает максимума, когда электрод А достигает подошвы пласта (точка записи при этом находится на половину длины зонда ниже). После пересечения электродом А подошвы пласта (позиция 3) вместо площадки равных сопротивлений получается наклонная площадка с уменьшением КС из-за того, что все возрастающую (по мере подъема зонда) часть тока втягивает низкоомная перекрывающая среда. При пересечении электродом А кровли пласта между ним и приемными электродами оказывается высокоомный экран - пласт, и на кривой КС формируется зона экранного минимума, продолжающаяся до тех пор, пока электрод М не пересечет подошву пласта (позиция 4). После этого в значение р_mn включаются все возрастающие участки мощности пласта с высоким сопротивлением р₂ (электрод N находится намного ниже электрода М и на рисунке не показан). Вклад среды с сопротивлением р₂ в значение р_mn достигнет максимума тогда, когда электрод М дойдет до кровли пласта (вся мощность пласта войдет в отрезок MN), при этом на кривой КС сформируется еще один максимум, отстоящий от верхней границы пласта на половину длины зонда. При пересечении кровли пласта электродом М (позиция 5) р_mn уже не меняется, влияние высокоомного пласта на плотность тока постепенно сходит на нет, и КС приближается к значению р_]. Таким образом, на кривой КС для потенциал-зонда над тонким пластом высокого сопротивления вместо ожидаемого увеличения сопротивления формируется зона экранного минимума, т.е. кривая КС кажущегося сопротивления совершенно не соответствует распределению истинных сопротивлений среды.

Контакты пласта можно "отбить", отложив от экранных максимумов половину длины зонда в сторону экранного минимума, как показано на рис. 6.5, б. Оценить величину истинного сопротивления пласта по кривой КС в этом случае невозможно.

Потенциал-зонды не рекомендуются для каротажа тонких пластов.

Мощные пласты низкого сопротивления. Кривые КС над пластами низкого сопротивления (НС) могут быть построены по тем же правилам, что и над пластами высокого сопротивления (ВС), нужно только помнить, что кровля пласта высокого сопротивления - это подошва пласта низкого сопротивления и наоборот. Следует иметь в виду и еще один момент: поскольку на площадках равного сопротивления р*_к не может быть больше, чем удвоенное значение меньшего из сопротивлений двух контактирующих сред, то ширина аномалии над пластами НС бывает больше мощности пласта на длину зонда. Особенно ярко проявляется это, когда пласт имеет нулевое сопротивление, что соответствует участкам металлических труб, упущенных в скважине при бурении, или хорошо проводящим рудным интервалам. В этом случае

площадки равных сопротивлений получаются на нулевом уровне, и протяженность зоны нулевых сопротивлений на диаграмме КС получается больше мощности идеального проводника на длину зонда, что следует учитывать при интерпретации (рис. 6.6).

Пласты средней мощности. В методе КС пласты считаются имеющими среднюю мощность при соотношении L<h<5L. Теоретические кривые КС над пластами средней мощности отличаются тем, что вместо площадок равных сопротивлений, характерных для мощных пластов, на них получаются наклонные площадки из-за того, что при положении зонда у одной границы пласта на формирование кривой влияет и другая граница (рис. 6.7).

Интерпретируются эти кривые по тем же правилам, что и для мощных пластов.

Пласты сложного строения. Наиболее простым случаем пласта сложного строения является пачка пропластов низкого и высокого сопротивления одинаковой мощности. Наилучшие результаты получаются при использовании градиент-зондов, длина которых больше мощности отдельного пропластка h, но меньше мощности всей пачки Н - рис. 6.8. Очень нечеткие результаты дают потенциал-зонды.